进程间通信
由于进程间的地址空间相对独立。进程与进程间不能像线程间通过全局变量通信，所以进程之间要交换数据必须通过内核。
在内核中开辟一块缓冲区，进程A把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程B再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信；
1、相关概念
（1）进程间通信：InterProcess Communication
（2）进程间通信常用的4种方式
a.管道-简单
b.信号-系统开销小
C.共享映射区-(有无血缘关系的进程间通信都可以)
d.本地套接字-稳定
2、管道pipe
1.管道的概念
本质:
内核缓冲区
伪文件-不占用磁盘空间
特点:
两部分:
读端，写端，对应两个文件描述符
数据写端流入，读端流出
操作管道的进程被销毁之后，管道自动被释放
管道默认是阻塞的。
2、管道的原理
内部实现方式：队列
环形队列，先入先出；
缓冲区大小默认是4K（非绝对），根据实际需要适当调整
3、管道的局限性
队列：数据只能读取依次，不能重复读取；
半双工：读写只能一端进行，另一端等待，具有固定的读端与写端；
无名/匿名管道：
- 只能在亲缘关系的进程中进行（父子、兄弟、祖孙等）；
- 文件中找不到它的存在，只存在于内存中；
- 不能用lseek来定位
- 具备阻塞（有读者有写者，当读没有数据或者是写满了的时候会卡在那里等待）
4、创建pipe管道
用于亲缘进程通信
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */
#include <fcntl.h> /* Obtain O_* constant definitions */
#include <unistd.h>
int pipe2(int pipefd[2], int flags); //
/*
flags 包括O_CLOEXEC、O_DIRECT、O_NONBLOCK。
- CLOEXEC：close-on-exec即当调用exec（）函数成功后，文件描述符会自动关闭
- O_DIRECT：任何读写操作都只在用户态地址空间和磁盘之间传送而不经过page cache
- O_NONBLOCK：非阻塞模式，在读取不到数据或是写入缓冲区已满会马上return,而不会阻塞等待。
*/
int pipe(int pipefd[2]); 成功：0；失败：-1，设置errno
函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。
规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。
向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区
查看pipe函数的输出位置
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/wait.h>
int main(int argc, const char* argv[]) {
int fd[2];//创建一个数组
int ret = pipe(fd);//创建管道
if (ret == -1) {
perror("pipr error");
exit(1);
}//错误提示
pid_t pid = fork();//上面建立了父进程，此处增加一个子进程；
printf("pipe[0] = %d\n", fd[0]);//输出读端位置
printf("pipe[1] = %d\n", fd[1]);//输出写端位置
/*
因为在PCB中前三位分别被标准输入，标准输出、标准错误占据，所以读段与写端分别输出为
pipe[0] = 3
pipe[1] = 4
*/
close(fd[0]);
close(fd[1]);
return 0;
}
思考题：
-
单个进程能否使用管道完成读写操作?
可以，见上面的程序
-
父子进程间通信是否需要sleep函数?
父写-写的慢
子读-读的快 -
注意事项
-
父进程读
—关闭写端
-
子进程写
—关闭读端
-
练习：
1、父子进程间通信,实现ps aux|grep bash
数据重定向: dup2
execlp
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/wait.h>
int main(int argc, const char* argv[]) {
int fd[2];
int ret = pipe(fd);
if (ret == -1) {
perror("pipr error");
exit(1);
}
pid_t pid = fork();
if (pid == -1) {
perror("fork");
exit(1);
}
//父进程 ps aus
if (pid > 0) {
//父进程进行写管道的操作，需要关闭读端；
close(fd[0]);
//文件描述符重定向，指向管道的写端
//stdout_fileno->管道的写端
dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
//执行ps aux
execlp("ps","ps", "aux", NULL);
perror("execlp");
exit(1);
}else if (pid == 0) { //子进程 grep bash
//子进程进行读管道的操作，需要关闭写端；
close(fd[1]);
//文件描述符重定向，指向管道的读端
//STDIN_FILENO->管道的读端
dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
//执行ps aux
execlp("grep", "grep", "bash", NULL);
perror("execlp");
exit(1);
}
close(fd[0]);
close(fd[1]);
return 0;
}
2、兄弟进程间通信，实现ps aux | grep bash
父亲-资源回收
对本地画图分析，现在仅需要对子进程1进行写操作，进程2进行读操作，其他的管道都要关掉。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0JXO5ZRv-1627220625711)(D:\学习资料\C and C++\每日记录\Linux系统编程.assets\image-20210720202822147.png)]
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/wait.h>
int main(int argc, const char* argv[]) {
int fd[2];
int ret = pipe(fd);
if (ret == -1) {
perror("pipr error");
exit(1);
}
pid_t pid;
int i = 0;//设置循环因子
for ( i= 0; i < 2; i++) {
pid = fork();
if (pid == 0) {
break;
}
}
if (pid == -1) {
perror("fork");
exit(1);
}
//子进程1 ps aus
if (i==0) {
//子进程1进行写管道的操作，需要关闭读端；
close(fd[0]);
//文件描述符重定向，指向管道的写端
//stdout_fileno->管道的写端
dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
//执行ps aux
execlp("ps","ps", "aux", NULL);
perror("execlp");
exit(1);
}
if (i == 1) { //子进程2 grep bash
//子进程2进行读管道的操作，需要关闭写端；
close(fd[1]);
//文件描述符重定向，指向管道的读端
//STDIN_FILENO->管道的读端
dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
//执行ps aux
execlp("grep", "grep", "bash", NULL);
perror("execlp");
exit(1);
}
//父进程
if(i==2){
//双端都要关掉
close(fd[0]);
close(fd[1]);
//回收子进程
//用while循环避免遗漏
pid_t wpid;
while((wpid = waitpid(-1,NULL,WNOHANG))!=-1){
if (wpid == 0) {
continue;
}
printf("child died pid= %d\n", wpid);
}
}
close(fd[0]);
close(fd[1]);
return 0;
}
5、管道的读写操作
-
读操作
-
有数据
- read(fd) 正常读，返回读出的字节数
-
无数据
-
写端全部关闭
-
read解除阻塞，返回0
-
相当于读文件读到了尾部
-
没有全部关闭
-
read阻塞
-
2.写操作
-
管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)
-
管道读端没有全部关闭：
(1) 管道已满，write阻塞。
(2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。
-
3、 管道缓冲区大小
可以使用ulimit –a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。通常为：
? pipe size (512 bytes, -p) 8
? 也可以使用fpathconf函数，借助参数 选项来查看。使用该宏应引入头文件<unistd.h>
? long fpathconf(int fd, int name); 成功：返回管道的大小 失败：-1，设置errno
设置非阻塞
在运行中，默认读写两端都是阻塞的，需要设置为非阻塞pipe
-
fcntl 变参函数：
- 复制文件描述符：dup
- 修改文件属性：open对应flag的属性
-
设置方法：
-
获取原来的flags
int flags = fcntl(fd[0],F_GETFL) -
设置新的flags
-
flag|=O_NONBLOCK -
flags = flags|O_NONBLOCK -
fcntl(fd[0],F_SETFL,flags)
-
-
6、FIFO 有名管道/命名管道
1、特点
- 有名管道
- 在磁盘上有这样一个文件Is-| -> p
- 伪文件，在磁盘大小永远为0
- 在内核中有一个对应的缓冲区
- 半双工的通信方式
2、使用场景
没有血缘关系的进程间通信
3、创建方式
mkfifo 管道名
库函数：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 成功：0； 失败：-1
一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。
4、进程间通信
mkfifo myfifo
两个不相干的进程 A(a,c),B(b,c)
a.c–>read
int fd = open("myfifo",O_RDONLY);
read(fd,buf,sizeof(buf));
close(fd);
b.c—>write
int fd 1= open(“myfifo”,O_WRDONLY);
write(fd1,"“hello”，11);
close(fd1);
7、内存映射区
存储映射I/O：Memory-mapped I/O，使一个磁盘文件与存储文件中的一个缓冲区进行映射，当从缓冲区取文件的时候，相当于读取文件中的相应字节。对应的，数据存入缓存区也会自动写入文件，在不使用read与write的情况下使用地址（指针）完成I/O操作。
mmap的示意图如下：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-I5qWvGBY-1627221175972)(D:\学习资料\C and C++\每日记录\Linux系统编程.assets\image-20210721104412055.png)]
mmap函数
void *mmap(void *adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
返回：成功：返回创建的映射区首地址；
失败：MAP_FAILED宏
参数：
? addr: 建立映射区的首地址，由Linux内核指定。使用时，直接传递NULL
? length： 欲创建映射区的大小
? prot： 映射区权限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE
? flags： 标志位参数(常用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区)
-
MAP_SHARED: 会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上。 -
MAP_PRIVATE: 映射区所做的修改不会反映到物理设备。fd： 用来建立映射区的文件描述符
? offset： 映射文件的偏移(4k的整数倍)，一般设置为0
munmap函数
同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放，mmap对应的释放函数就是munmap;
int munmap(void *addr, size_t length);
成功：0； 失败：-1
示例，读取hello.c 文件，输出文件的内容，并释放映射区
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/mman.h>
#include<fcntl.h>
int main(int argc, const char* argv[]) {
//打开一个文件
int fd;
fd = open("hello.c", O_RDWR);
//获取文件大小，也就是创建的映射区的大小
int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);
//创建内存映射区
void* ptr = mmap(NULL,len,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
if (ptr == MAP_FAILED) {
perror("mmap error");
exit(1);
}
printf("%s\n", (char*)ptr);
//释放映射区
munmap(ptr, len);
C
return 0;
}
成功读取文件中的内容并显示
思考题
-
如果对mmap的返回值(ptr)做++操作(ptr++), munmap是否
能够成功?不能，不可以对其做操作
-
如果open时O_ RDONLY, mmap时prot参数指定
PROT_ READ| PROT WRITE会怎样?会出现权限错误，前后权限一定要对应；
mmap调用失败
-
如果文件偏移量为1000会怎样?
不行，应该为4k（4096）的整数倍，会直接跳到4k的偏移量处；
-
如果不检测mmap的返回值会怎样?
出现错误后，不知道是什么错误
-
mmap什么情况下会调用失败?
-
第二个参数len=0；
-
第三个参数必须指定PROT_READ权限，open的打开的权限fd必须大于等于mmap制定的权限
-
偏移量：必须为4096的整数倍
-
-
可以open的时候O_ CREAT一个新文件来创建映射区吗?
可以，但是需要做文件拓展
- lseek
- truncate(path,length)
-
mmap后关闭文件描述符，对mmap映射有没有影响?
无影响
-
对ptr越界操作会怎样?
段错误
使用mmap进行有血缘关系进程交流
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/mman.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
int main(int argc, const char* argv[]) {
//打开一个文件
int fd;
fd = open("hello.c", O_RDWR);
int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);
//创建内存映射区
void* ptr = mmap(NULL,len,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
if (ptr == MAP_FAILED) {
perror("mmap error");
exit(1);
}
pid_t pid = fork();
if(pid == -1){
perror("fork error");
exit(1);
}
if(pid>0){
//write data
strcpy((char*)ptr,"you are my son?");
wait(NULL);
}else if(pid ==0){
printf("%s\n",(char*)ptr);
}
printf("%s\n", (char*)ptr);
//释放映射区
munmap(ptr, len);
return 0;
}
可以看到，在父进程中，将其写入文件中，子进程打印对应的输入。
创建匿名映射区
//创建匿名内存映射区
void* ptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON , -1, 0);
在第四个位置上加一个MAP_ANON
无血缘关系进程之间通信
mmap作为内核借助文件创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递，由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用，mmap来完成通信。设置相应的标志位flags为MAP_SHARED就可以